何 晶

（深圳市達能電力技術有限公司廣州公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在電力生產和輸送等方面存在不少缺陷，從而降低了電力企業(yè)的服務質量，也制約了電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設和管控，隨著人們對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的不斷加深，先進大容量儲能技術成為呼聲較高的一項技術手段，它可以靈活地實現有功、無功的快速、解耦控制，打破了發(fā)、用電實時平衡的限制，可以滿足電網峰值負荷的需求，也可有效降低晝夜峰谷差，輔助解決低電壓穿越問題，從而提高運行效率和穩(wěn)定性，保證供電質量，由此可見大容量儲能技術具有很大的發(fā)展前景，值得行業(yè)相關人士深入研究。

1 大容量儲能在電力系統(tǒng)的應用類別介紹

電力儲能技術在我國乃至全球很早就已經出現，最早時應用較多的主要是抽水蓄能，隨著科技發(fā)展，各種新能源發(fā)電技術出現，儲能方式增多，可以并存和聯合應用，應用領域也從移峰填谷、調頻等擴大到分布式發(fā)電、可再生能源并網等方面[1]，但也正是由于儲能技術種類較多，發(fā)展程度各不相同，也各有優(yōu)劣，而電力行業(yè)的可應用范圍較為廣闊，要求相差較大，因此實際應用時會根據不同儲能技術的經濟特性來具體選擇，下面首先對幾種較為常見的儲能技術進行簡要介紹，并對幾種儲能方式在能量密度、功率密度、響應速度、應用成本等方面進行了對比分析（見下表1）。

表1 幾種典型儲能技術經濟指標現狀對比

1.1 抽水儲能

該技術應用較早，比較成熟且由于儲能容量較大，可達百兆及千兆級別，同時運行效率高，可循環(huán)周期長，在我國很多城市被廣泛應用，其儲能量和發(fā)電量在我國直至全球范圍內都占比較高。在實際應用時，需要根據當地的地形和水資源分布建立抽水蓄能電站，容量根據當地設計目標來確定，而能量的存儲和釋放則是利用兩個不同高度蓄水池來完成，從而實現調頻、調壓等穩(wěn)定控制功能，還可與風力發(fā)電結合，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經濟效益。

1.2 壓縮空氣儲能

該方式的儲能容量也可達百兆以上且能長期儲能，投資建設和運行成本較低，環(huán)保效益明顯。儲能原理是將空氣壓縮存儲在洞穴或容器里，待需要輔助電力系統(tǒng)運行時可釋放并點燃空氣，在與燃料混合燃燒的過程中產生大量的熱能，進而轉換成電能，用于峰谷電能回收調節(jié)、平衡負荷、頻率調制、發(fā)電系統(tǒng)旋轉備用等。為了提高運行效率，可以利用復熱器，此外我國還研發(fā)了“非補燃壓縮空氣儲能”技術，進一步提高了效率，降低了成本，擴大了應用范圍，促進了該技術的發(fā)展和應用。

1.3 飛輪儲能

該儲能系統(tǒng)分為旋轉體和功率調節(jié)系統(tǒng)兩部分，充電時旋轉體轉動向外釋放能量然后降速，通過調節(jié)飛輪轉速，使儲能裝置與電網的能量進行交換，而根據轉速的不同分為低速飛輪和的高速飛輪2 種，前者為功率型，可保證電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定，后者適合長期儲能，可用于電力調峰、調頻，這種儲能方式的充電速度較快，循環(huán)壽命長，但還需提高能量密度，降低應用成本。

1.4 超導磁儲能

根據超導體電阻為零的特性，將超導體制成儲能裝置，整個系統(tǒng)被低溫冷卻到超導臨界溫度之下，從而可以長期無損耗儲存能量且能量轉換效率非常高，可作為一個靈活調控的電源，調節(jié)電網電壓、頻率、功率，以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善供電品質。但該技術的應用成本較高，對超導材料要求較高且充電速度待提升，因此還沒有得到大力發(fā)展，目前最大的商用功率等級并不高。

1.5 蓄電池儲能

蓄電池充放電時正負極活性材料會發(fā)生氧化和還原反應，從而實現能量轉化，將電能以化學能形式存儲，而其儲存容量取決于電池模塊數量，充放電時間、運行效率等又與電池的種類又有很大的關系。 1）鉛酸電池：技術成熟、響應速度快、安全可靠、投資成本低，屬于蓄電池儲能中應用效果較好且非常廣泛的一種，通常用于電廠、電站的備用電源和電能質量調節(jié)。2）鈉硫電池：在全球范圍內的研究和應用都比較普遍，特別是用于商業(yè)，具有能量密度高，使用壽命長等特點，可用于電能質量調節(jié)和負荷的削峰填谷調節(jié)，但熱量過高時有一定的危險性，還需進一步優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。3）鋰電池：與鈉硫電池優(yōu)勢相似，但綜合循環(huán)效率更高，是當前我國重點關注的儲能方式，可在成本和監(jiān)管系統(tǒng)上加以改進，以簡化其管理和應用。4）釩液流電池：功率大、使用壽命長、清潔環(huán)保、成本低，是最成熟的液流電池，也是目前世界發(fā)展最快的大容量儲能技術，由于存儲的能量和功率可以單獨調節(jié)，根據液體存儲罐的大小可實現不同規(guī)模的儲能，可用于城市電網儲能、遠程供電等領域[2]。

2 大容量儲能對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的作用機理研究

考慮到儲能具有快速、靈活的有功、無功控制能力，可以向電力系統(tǒng)快速提供有功和無功功率補償來改善其穩(wěn)定性，表明儲能可以為系統(tǒng)提供正阻尼，因此大容量儲能也可看做是一種可靠的阻尼控制法，比傳統(tǒng)的PSS 和 FACTS 等電網控制系統(tǒng)更為安全可靠，基于該背景，很多學者對大容量儲能與電力系統(tǒng)的融合及影響進行了研究，該文主要介紹變流器控制儲能裝置的主要類型和工作原理，分析儲能輔助電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及如何通過改儲能裝置實現有功、無功的解耦控制。

2.1 基于變流器控制的儲能裝置類型與工作原理

由圖1 可以看出該裝置主要分為功率調節(jié)系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)兩部分，各部分的組成大不相同，但是互相之間有聯系且整體通過電力電子接口并入電網，從而形成儲能系統(tǒng)。其中大容量儲能主要依靠蓄電池、超級電容器等方式實現，但各儲能技術各有利弊，在實際工程應用上由于自身構造、工作條件、電網對電壓和容量等方面的要求較高，目前還無法大面積應用，為了對大容量儲能產生的影響和作用進行研究分析， 可以構建用于仿真和實驗系統(tǒng)的裝置，以獲得一些理論數據參考。

2.2 儲能變流器的PQ 解耦控制策略

由圖1 可知功率調節(jié)系統(tǒng)主要包括主電路和控制系統(tǒng)兩部分，其中的控制系統(tǒng)可以采集儲能單元的狀態(tài)信號，來自電網的電壓和電流信號，傳遞給低層控制器，而電力系統(tǒng)的狀態(tài)變量則由系統(tǒng)層控制器采集，并經處理后向低層控制器發(fā)送交換指令，指示工作模式，低層控制器匯總所有信號和數據后，生成合適的觸發(fā)控制脈沖來調控系統(tǒng)運行參數，如提高系統(tǒng)的阻尼特性、電能質量，從而實現有功、無功的獨立交換，控制儲能系統(tǒng)的交換功率[3]。

圖1 基于變流器控制的儲能裝置結構示意圖

3 大容量儲能對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響分析

3.1 系統(tǒng)動態(tài)建模

該文以三機九節(jié)點系統(tǒng)為例，對大容量儲能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后的小干擾穩(wěn)定影響進行了分析。1）建立同步發(fā)電機模型，采用同步電機4 階模型，相關計算公式可參照電力行業(yè)的有關規(guī)范，同時由于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS 可以提高系統(tǒng)基本運行方式下的小干擾穩(wěn)定性，還可以在基本運行方式下通過配置和不配置PSS（模式一和模式二）來所呈現的機電振蕩模式來表明PSS 在增強系統(tǒng)阻尼特性中的優(yōu)勢。2）儲能電站，模型主要包括電池及電池管理系統(tǒng)，PCS 換流器和控制模塊，電池充放電特性為線性，當大容量儲能接入電網時，可按照功率內外環(huán)控制策略實現有功、無功解耦控制。通過以上模型和原理模擬不同條件下儲能阻尼系統(tǒng)低頻振蕩情況，并采用特征值分析法，以換流器及控制模塊的動態(tài)性能為重點，根據系統(tǒng)的狀態(tài)變量、輸出變量、輸入變量，結合電力系統(tǒng)的動態(tài)特性有關計算方程式得出系統(tǒng)狀態(tài)極點，并根據狀態(tài)矩陣特征值對應的振蕩模式阻尼比，進而對小干擾穩(wěn)定性進行分析[4]。

3.2 系統(tǒng)潮流不變下的影響分析

通過完整的模型，模擬逐步增加儲能發(fā)電有功出力后的振蕩模式變化，例如在儲能并網容量增加且協(xié)調控制系統(tǒng)潮流不變的情況下，將儲能有功出力從20MW 增加至100MW，在并網容量以 20MW 的基數增長的情況下，對比相同模式下的阻尼特性變化情況以及有無PSS 時的阻尼特性變化情況，從表2 可以得出，模式一的振蕩頻率基本保持不變，而阻尼比與并網容量呈正比，而模式二的頻率比模式一大，且呈下降趨勢，而阻尼比也明顯在逐步上升且都沒有產生新的振蕩模式，因此在系統(tǒng)潮流不變的情況下，阻尼比會隨著儲能容量的接入而增大。

表2 系統(tǒng)潮流不變下的阻尼特性變化情況

3.3 系統(tǒng)潮流改變下的影響分析

基于上述同樣的原理，若同步電機 G3 沒有參與協(xié)調控制，儲能滲透率在增加過程中就會失衡，系統(tǒng)潮流就會發(fā)生變化，因此可以模擬系統(tǒng)潮流變化情況下的振蕩模式，得出儲能并網容量逐步增加情況下，兩種模式的頻率和阻尼比變化，通過數據對比分析可以得出阻尼比的變化趨勢為先降后增，但變化性非常小，而模式一的頻率呈微弱增長趨勢，模式二則正好相反，但同樣都沒有引發(fā)新的振蕩模式。因此，在以上兩種情況下，大容量儲能都不會明顯改變或降低阻尼比，對小干擾穩(wěn)定的影響也較小，也不會參與系統(tǒng)的低頻振蕩，但系統(tǒng)潮流不變時更有利于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定。

3.4 鎖相環(huán)影響

為了便于研究儲能接入后的小干擾穩(wěn)定性影響，現有機電暫態(tài)仿真軟件中并未考慮鎖相環(huán)動態(tài)模型，若要精準確定其影響性，可基于鎖相環(huán)基本原理，建立動態(tài)模型，以Kp=1.5，Ki=10 為典型參數（Kp為比例參數，主要用于快速調節(jié)誤差；Ki為積分參數，主要用于調節(jié)穩(wěn)態(tài)時間），以系統(tǒng)潮流為條件，模擬不同變化情況下的振蕩模式，同樣也是以并網容量變化時引起的頻率和阻尼比變化來對比有無考慮鎖相環(huán)的系統(tǒng)阻尼特性，并進一步評估對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響（具體數據見下表3），有關學者和專家試驗后得出，未考慮鎖相環(huán)時穩(wěn)定性會變差[5]。

表3 考慮鎖相環(huán)影響時的阻尼特性變化情況

3.5 附加阻尼控制的影響

綜上可知，大容量儲能接入時會引起電力系統(tǒng)阻尼特性的變化，為了進一步穩(wěn)固系統(tǒng)，以一次調頻及慣量控制模型為基礎，研究大容量儲能對電力系統(tǒng)阻尼比產生的具體影響，通過模擬大容量儲能接入并網容量遞增時，系統(tǒng)振蕩模式的變化情況，在100MW 情況下有無附加阻尼控制時，出現三相瞬時短路故障時G3 有功功率響應情況（詳見圖2），綜合以上試驗數據分析可以得出，附加阻尼控制可以改善系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。

圖2 G3 機組有功率響應

4 結語

總之，面對日益嚴重的能源危機和用電壓力，大容量儲能技術勢不可擋，有關學者和該行業(yè)工作者理應加強在該方面的研究，以促進與電力系統(tǒng)的良好結合，該文所述的大容量儲能種類豐富且適用性和效果各不相同，但總體來說只要控制得當，應用合理，對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性不會產生太大的影響，可以用于電量輸送、平滑電網負荷、調控供電量，也可用于發(fā)電自動控制，提高電力設備利用率，從而提高供電質量，增加經濟效益，但是很多儲能技術在我國發(fā)展還不成熟，為了促進儲能技術的應用，還需持續(xù)研究儲能系統(tǒng)接入電網后對各方面產生的影響，就儲能本體研發(fā)、與既有電力系統(tǒng)的融合和應用成本等進行改進，以進一步提升穩(wěn)定性、安全性、經濟性。